無線水質實時監測系統的應用研究

摘 要：針對傳統水質實時檢測系統布線難、維護成本高等難題，結合無線傳感網絡技術，本文提出了一種新的水質監測無線傳感器網絡水質監測系統——基于ZigBee的水質監測系統。現場的傳感器節點負責檢查水質參數，無線通信技術選擇ZigBee技術，ZigBee技術不僅具有距離近、復雜度低、組網能力強、成本低及可靠性高的特點，并且自有無線通信標準，可以使用接力的方式在多個測量節點間相互協調實現通信，充分滿足了無線水質監測的需要。

關鍵詞：無線水質實時監測；無線傳感器網絡；ZigBee

中圖分類號：X84；TN929.5 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2018）09-0063-03

Abstract：A new water quality monitoring system for water quality monitoring wireless sensor network based on ZigBee is proposed in this paper，in view of the difficult problem of wiring difficult and high maintenance cost of the traditional water quality real-time detection system. The sensor nodes in the field are responsible for checking the water quality parameters，and the wireless communication technology chooses the ZigBee technology. The ZigBee technology not only has the characteristics of close distance，low complexity，strong networking ability，low cost and high reliability，and has its own wireless communication standard. It can be coordinated with each other by means of relay. Communication fully meets the needs of wireless water quality monitoring.

Keywords：wireless water quality real-time monitoring；wireless sensor network；ZigBee

1 研究背景

隨著我國經濟規模的不斷擴大，水污染問題也越來越嚴重。近幾年發生的水污染事件使人們對水環境的保護問題越來越重視，所以合理利用水資源和防止水環境的污染顯得格外重要，這也給我國水質監測工作提出了更高的要求。傳統的水質監測方法由于操作復雜度高、成本高、實時性差，以及具有偶然性等缺點，很難大范圍地普及，不能準確反映整個水體水質的變化過程，因此，需要一種新的水質監測系統來輔助傳統的水質監測方法，更好地實現對水環境的監測。

2 水質檢測技術

水質監測是五水共治工作的重要組成部分，是檢驗工作成果的基礎和技術支持。水質指標實時自動監測系統的研制在我國還未普及，但歐美一些發達國家在這方面已趨向成熟，如美國等一些發達國家，幾乎在重要水質監測點都安裝了有關監測儀器，對水處理設施的運行情況以及排水流量、PH值、DO、電導、濁度、溫度和余氯等值進行自動監控，在監控中心可以隨時獲悉相關水質情況。本次研究團隊在進行了充分的調研、考察、征詢客戶意見等的基礎上，研制開發了集自動化、即時化、智能化于一體的經濟實用的基于ZigBee的無線水質實時監測系統，并且考慮到傳感器的位置不同，采集的水質指標也會有不同的變化，因此，傳感器將成垂直排列，這樣就可以建立湖泊、河流等水質的立體水質數據庫。

3 基于ZigBee技術的無線傳感器網絡

近幾年來，全球通信技術的發展日新月異，尤其是近兩三年來，無線通信技術的發展速度與應用領域已經超過了固定通信技術，呈現如火如荼的發展態勢。其中ZigBee技術成本低、功耗低，受到工業應用市場的青睞。

ZigBee是一個針對傳感器網絡等應用的短距離無線技術規范，ZigBee網絡設備按照通信功能可以分為：全功能設備（FFD）和精簡功能設備（RFD）。一個ZigBee網絡的形成必須由FFD率先擔任網絡協調器，再由協調器進行掃描搜索，并以發現一個沒有用的最佳信道來建立網絡，再讓其他的FFD或是RFD加入這個網絡，而且需要注意的是RFD只能與FFD連接，而事實上人們可以根據裝置在網絡中的角色和功能，預先將裝置編好程序，如協調器的功能是通過掃描搜索，以發現一個未用的信道來組建一個網絡，路由器的功能是通過掃描搜索，以發現一個激活的信道，并將其連接，然后讓其他裝置連接，而末端裝置的功能是試圖連接到一個已經存在的網絡。

ZigBee可以構建星型、樹型和網型網絡拓撲結構。三種網絡拓撲結構各有其特點。如圖1所示。

無線水質監測要實現無線通信，需要組建一個ZigBee網絡。可以根據水質監測區域的情況將水域分為多個維度或是多個監測小區域，每一個監測點放置一個傳感器網絡節點，由于本系統為垂直設計，放置不同深度節點的傳感器群，由路由器管理三個及以上節點，以星型網絡拓撲結構為例，其拓撲結構如圖2所示。

4 水質監測系統架構

4.1 系統功能及總體設計

無線傳感器網絡水質監測系統主要是實現水質的綜合監測和水污染早期預警的系統，其結構圖如圖3所示，傳感器完成對監測區域內水體信息的采集，在每一個深度位置將采用三個傳感器（溫度傳感器、PH傳感器和電導率傳感器）對水質指標進行采樣，一般通過穩定的持續電源供電，將測得的相關參數沿無線網絡傳輸，通過匯聚節點連接ZigBee網絡等外部網絡，最終將數據傳給終端大屏幕，工作人員可以在現場或者遠程觀測屏幕進行水質的監測分析，實現實時傳輸數據，實時監測，方便實時查看、管理、配置傳感器網絡以及發布監測任務。這樣就實現了對水質重要參數的實時監測。

4.2 系統的硬件設計及相關元器件的選擇

本文中的無線水質監測系統包括無線通信網絡、傳感器數據采集模塊、無線通信模塊、電源模塊、信號調理模塊以及其他外圍設備模塊。傳感器數據采集模塊主要采集各類水質信息，通過無線通信模塊接收信息，并進行后續數據處理。系統總體硬件示意圖如圖4所示。

4.2.1 傳感器數據采集模塊

（1）電導率傳感器。選用DJS-1型鉑黑電導電極傳感器，鉑黑電極殼能有效防止在測定較高電導溶液時出現地極化現象，可對常規水體電導率進行精確測量，測量電導率時需要在兩極端加交流激勵信號，將電導電極浸入待測水體中測量兩極端之間的電壓及回路電流，即可計算出測量水體電導率，為了便于芯片進行數據讀取與處理，還涉及交直流轉換。

（2）溫度傳感器。選用DS8B20溫度傳感器，該傳感器能適應復雜的溫度測量環境，適應的電壓范圍廣。其主要特點是DS18B20在使用時不需要任何外圍元件，全部傳感元件及轉換電路集成在形如一只三極管的集成電路內，獨特的單線接口方式，DS18B20在與微處理器連接時僅需一條口線即可實現微處理器與DS18B20的雙向通訊，支持多點組網功能，多個DS18B20可以并聯在唯一的三線上，實現組網多點測溫。DS8B20溫度傳感器通過數據線直接與CC2530芯片連接，即可實現溫度測量。

（3）PH值傳感器。選用E-201-C型PH復合電極測量PH值。該電極是玻璃電極和參比電極組合在一起的塑殼可充式復合PH電極，電極為可充式且抗干擾能力強。該電極浸入溶液后，玻璃膜外側與待測PH溶液的相界面上要發生離子交換。玻璃指示電極與參比電極組成的原電池電動勢最終通過導線由電表顯示，由此測出水體PH值。E-201-C型PH復合電極在測量時，溫度控制在0～60攝氏度，響應時間小于2分鐘。

4.2.2 電源模塊及其他外圍設備模塊

系統采用可靠性較高的電池為系統供電，包含顯示模塊、數據存儲模塊、信號調理模塊。顯示模塊由一塊LED屏幕顯示器構成，與ZigBee芯片通過無線連接，接收芯片發回的數據顯示測得的水質參數，并提供可視化的用戶界面，便于觀察與分析。

5 結 論

本文提出基于ZigBee技術無線傳感器網絡的水質監測方案，它充分考慮了系統的需要。傳感器技術和無線通信技術是近年來快速發展的應用型技術，將其應用到水質監測中，為解決日益嚴重的水質污染或污水排放的監測等提供了技術支持。本文對水質檢測的傳感器節點選擇、無線網絡通信兩個方面進行了分析、介紹，分析了幾種重要的水質檢測參數、傳感器監測技術和ZigBee網絡通信技術。能耗低、抗干擾、可擴展的水質檢測技術是進一步研究的方向和熱點。

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作者簡介：羅興浩（1998-），男，漢族，學士。研究方向：物聯網；通訊作者：趙盛萍（1988.02-），女，漢族，助教，碩士。研究方向：系統仿真與建模、物聯網。